孫 蔚

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,712000)

基于Zigbee無(wú)線通訊協(xié)議的溫度控制系統(tǒng)分析

孫 蔚

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,712000)

近些年來(lái)，無(wú)線技術(shù)憑借著其絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)在我國(guó)得到了快速的發(fā)展，不僅對(duì)人們的工作，更是對(duì)人們的生活帶來(lái)了便利，與其相比，有線技術(shù)的發(fā)展則不是十分明顯。與此同時(shí)，我國(guó)的溫控技術(shù)也在經(jīng)歷了一系列的發(fā)展與變革之后在人們的生活中扮演著重要的角色。

Zigbee技術(shù)；溫控器；設(shè)計(jì)

1 Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介

Zigbee技術(shù)是最近幾年才隨著無(wú)線技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，該技術(shù)具有多種優(yōu)點(diǎn)，如能耗低、成本低以及應(yīng)用簡(jiǎn)單等，其通信標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.15.4。通常情況下人們都將這一新興的技術(shù)應(yīng)用在電子設(shè)備、無(wú)線數(shù)據(jù)采集以及醫(yī)療器械的控制等多個(gè)場(chǎng)合。Zigbee擁有多種通信方式，溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能不同，所選用的通信方式也有所不同。Zigbee技術(shù)是借助IEEE地址實(shí)現(xiàn)通信的，少數(shù)情況下會(huì)借助短地址。直接通信具有穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了直接通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器與控制模塊之間的關(guān)系。

2 常見(jiàn)溫控器基本原理與運(yùn)行模式

2.1 常見(jiàn)溫控器基本原理

從整體上看，溫控器沒(méi)有與其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，而且是閉環(huán)的。溫控器通常包括四大部分，即冷熱切換裝置、溫度設(shè)定機(jī)構(gòu)、溫度傳感器以及三速開(kāi)關(guān)，基本原理則是通過(guò)溫度傳感器獲得室溫，再將其和之前的設(shè)定值作比較，最后再將結(jié)果發(fā)送至控制模塊?？刂颇K的主要作用就是發(fā)出控制指令，對(duì)熱、冷水循環(huán)管路電動(dòng)水閥的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，這一過(guò)程是通過(guò)轉(zhuǎn)換盤(pán)管內(nèi)水流的循環(huán)情況來(lái)得以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷水與熱水的控制的。如果室內(nèi)的溫度小于用戶提前設(shè)定的溫度，那么加熱閥門(mén)就會(huì)打開(kāi)，當(dāng)室內(nèi)溫度再次與設(shè)定的溫度相同時(shí)，閥門(mén)將會(huì)關(guān)閉。但是通常情況下這一過(guò)程往往會(huì)造成資源的浪費(fèi)，這是因?yàn)閷?duì)室內(nèi)的溫度進(jìn)行采集時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)滯后效應(yīng)，使得設(shè)定點(diǎn)附近出現(xiàn)比較大的沖擊。

2.2 常見(jiàn)溫控器運(yùn)行模式

現(xiàn)今，智能風(fēng)機(jī)盤(pán)管溫控器是人們使用最多的一種，而絕大多數(shù)的溫控器則是用戶手動(dòng)選擇溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控器的控制，并且按照用戶的自我意識(shí)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是事實(shí)上這種控制方式有兩大弊端，其中的第一個(gè)弊端就是對(duì)人的依賴(lài)性太強(qiáng)。第二大弊端就是當(dāng)用戶離開(kāi)溫控器時(shí)，溫控器理應(yīng)停止工作或者被控制在一個(gè)比較大的設(shè)定區(qū)域中，而且當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間保持在這一控制范圍時(shí)，往往會(huì)使用戶承擔(dān)很多不必要的資金浪費(fèi)。所以，本文采用了可編程控制模式，將一星期內(nèi)的每天都分為四個(gè)不同的時(shí)段，并且在不同的時(shí)段根據(jù)用戶的需求對(duì)室內(nèi)的溫度進(jìn)行人為的控制。

3 無(wú)線溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 無(wú)線溫控系統(tǒng)功能需求

無(wú)線溫控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域以智能家居居多，它是通過(guò)智能溫度傳感器來(lái)了解當(dāng)時(shí)室內(nèi)的溫度信息的，之后的原理與溫控器大同小異。通常情況下這一系統(tǒng)由輸出控制模塊、協(xié)調(diào)器、溫度

傳感器以及路由器幾部分構(gòu)成。不論是系統(tǒng)中的溫度傳感器模塊還是所有的控制模塊，都安裝了無(wú)線收發(fā)組件。系統(tǒng)對(duì)這些無(wú)線收發(fā)組件主要有兩個(gè)功能的需求，其一為嚴(yán)格按照Z(yǔ)igbee無(wú)線通信協(xié)議來(lái)接收或者向其他系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，其二則為在室內(nèi)的條件下要將發(fā)送距離保持在30m以上。

3.2 無(wú)線溫控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 RZ200開(kāi)發(fā)模塊簡(jiǎn)介

本文將Atmel公司設(shè)計(jì)推出的RZ200系列當(dāng)作本次研究的參考案例，以此來(lái)完成對(duì)Zigbee無(wú)線通訊模塊的設(shè)計(jì)。該無(wú)線模塊的電源采用兩節(jié)7號(hào)電池，由六部分構(gòu)成，即①電源開(kāi)關(guān)；②AVR Atmega1281V主控制器；③三個(gè)LED指示燈；④兩個(gè)擴(kuò)展的和顯示板的接口；⑤測(cè)試按鍵；⑥AT86RF230無(wú)線傳輸芯片和PCB天線。

3.2.2 溫控器主板部分硬件設(shè)計(jì)

3.2.2.1 主板功能框圖

溫控器的主板部分一般由四大部分構(gòu)成，即控制模塊、電源模塊、用戶模塊以及溫度采集模塊，本文為盡可能的降低管理費(fèi)用，把傳感器模塊與控制模塊設(shè)計(jì)在同一主板上。

3.2.2.2 關(guān)鍵器件選擇

在選擇器件時(shí)首先是LCD方案設(shè)計(jì)的選擇，由于溫控系統(tǒng)對(duì)外觀的要求非常高，所以在選擇過(guò)程中要做到慎重和全面。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的需求來(lái)進(jìn)行，同時(shí)還要滿足不同客戶的不同要求，盡可能的選擇最合理的設(shè)計(jì)方案。其次在選擇單片機(jī)時(shí)本文使用了Atmel13290PV單片機(jī)，并將其當(dāng)做系統(tǒng)的主控器。最后，由于絕大部分的其他溫控器產(chǎn)品都將AVR系列單片機(jī)當(dāng)做了系統(tǒng)的主控器，所以本文將Atmegal3290當(dāng)做了主控制芯片，以便盡可能的發(fā)揮出其他功能的作用。

3.2.2.3 原理設(shè)計(jì)

在采集溫度的過(guò)程中，本文選擇了NTC20K的熱敏電阻，如果室內(nèi)溫度發(fā)生了或大或小的變化，那么RT1阻值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)管腳處電壓的控制。隨后再借助轉(zhuǎn)換內(nèi)存內(nèi)部的A/D，來(lái)獲知溫度值的詳細(xì)信息。此外在按鍵輸入端口設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用了外部中斷的方式來(lái)捕捉按鍵觸發(fā)，而且這幾個(gè)端口都與PBO聯(lián)接了起來(lái)。

3.3 無(wú)線溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于節(jié)點(diǎn)在使用過(guò)程中對(duì)通用性有較高的要求，所以在閉合電源后需要借助撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)判斷子節(jié)點(diǎn)號(hào)，同時(shí)還要檢查其是否還具有自身功能。子節(jié)點(diǎn)的功能通常有數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)的發(fā)送等。通過(guò)觀察開(kāi)關(guān)的狀態(tài)來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)應(yīng)完成的具體運(yùn)行工作。無(wú)線通訊模塊往往會(huì)消耗很多的能量，因此CPU會(huì)在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都保持在休眠狀態(tài)，這就需要借助各個(gè)級(jí)來(lái)喚醒CPU，并對(duì)無(wú)線通訊模塊的運(yùn)行進(jìn)行恢復(fù)。

4 無(wú)線溫控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 Floating控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)

Floating控制通常是指借助繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的控制，其操作過(guò)程一般是改變繼電器的開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)改變管道中斷餓熱水與冷水的流量。本文所采用的控制方式為PI增量式計(jì)算方法，以此來(lái)獲知輸出的流量的相應(yīng)的增量。其控制流程主要包括①根據(jù)測(cè)試結(jié)果掌握?qǐng)?zhí)行器“時(shí)間-位置”的相關(guān)信息；②根據(jù)對(duì)閥測(cè)試結(jié)果來(lái)獲知“位置-流量”的特性信息；③結(jié)合上述兩個(gè)測(cè)試結(jié)果來(lái)回歸出Flow-Time的曲線方程。

4.2 編程運(yùn)行模式的實(shí)現(xiàn)

本文為盡可能的減少能源的耗費(fèi)，特別增加了編程運(yùn)行模式，而且為了進(jìn)一步達(dá)到節(jié)約能源的要求，本文配置了相應(yīng)的時(shí)段與設(shè)置點(diǎn)溫度。例如將溫控器配置在用戶的臥室中，由于用戶在周一到周五五天中的在11:00-1:00與18：00-22：00時(shí)段通常都不在家，所以將這兩個(gè)時(shí)段設(shè)置成較低的溫度點(diǎn)。在寒冷的冬天的周末或者晚上，用戶通常都會(huì)在家，因此可以設(shè)置成十分舒服的溫度點(diǎn)。本文在編程模式中特別設(shè)置了兩種狀態(tài)，即保持狀態(tài)與臨時(shí)工作狀態(tài)，前者是指當(dāng)對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行了從臨時(shí)工作狀態(tài)切換到保持工作狀態(tài)的命令后，系統(tǒng)會(huì)在之后的一段時(shí)間內(nèi)保持用戶所設(shè)定的溫度點(diǎn)。此外，用戶若突發(fā)性的想要改變之前設(shè)定好的溫度點(diǎn)，就可以選擇上、下鍵來(lái)做出相應(yīng)的調(diào)整。

5 總結(jié)

目前我國(guó)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展十分迅猛，促進(jìn)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，與此同時(shí)FCU溫控器也日漸發(fā)展了起來(lái)，但是在發(fā)展中仍然在技術(shù)方面有所不足。本文講解了Zigbee技術(shù)與其構(gòu)成，并系統(tǒng)介紹了常見(jiàn)溫控器的基本原理與運(yùn)行模式。與此同時(shí)，本文還對(duì)無(wú)線溫控系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。但是本文也存在一些不足，如在對(duì)Zigbee進(jìn)行無(wú)線模塊的測(cè)試過(guò)程中，為測(cè)試所提供的環(huán)境過(guò)于簡(jiǎn)易，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。Zigbee技術(shù)具有多種優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也在日漸擴(kuò)大，我們有充分的理由相信，Zigbee技術(shù)將會(huì)在未來(lái)的時(shí)間里有更加快速的發(fā)展。

[1] 原翼，蘇宏根.基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件.2009（06）:34-35

[2] 盧崇，馬建倉(cāng)，王吉富.基于ATmega128L與CC2420的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007. 8: 131133

[3] 齊楠，韓波，李平.基于ZigBee技術(shù)的智能家庭無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程.2007（06）：25-27

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Analysis Report Based on Temperature Control System of Zigbee Wireless Communication Protocols

Sun Wei
(College of Information Engineering, Shaanxi Polytechnic Institute,712000)

In recent years,wireless technology by virtue of its absolute advantage in China has been rapid development,not only for the people's work,but is brought convenience to people's lives,rather compared to the development of cable technology is not very obvious.At the same time,China's temperature control technology has undergone a series of development and change in people's lives after play an important role.

Zigbee Technology;Thermostat;Design

課題編號(hào)ZK13-37